УДК 633.282:577.3:631.527
С. О. Лашук
Український інститут експертизи сортів рослин, вул. Генерала Родимцева, 15, м. Київ, 03041, Україна,
email: lashuk_s@ukr.net
Мета. Вивчити морфологічні й цитологічні особливості пиляків, пилку та маточок рослин роду Miscanthus, отриманих в умовах in vitro. Методи. Препарати маточок, незапліднених насіннєвих зачатків, пиляків та пилку, незабарвлені або забарвлені розчином карміну (2%) в оцтовій кислоті (45%) чи розчином метиленового синього, досліджували методом світлової мікроскопії. Вимірювання для рослин різних видів міскантусу, а також підрахунок кількості пилку різного діаметра здійснювали в десятиразовому повторенні. Результати. Вивчено морфологічні й цитологічні особливості генеративних органів китайського, цукроквіткового та гігантського видів міскантусу. Встановлено, що квітка цієї рослини однодомна, містить як тичинки, так і маточку. Забарвлення пиляків жовте або рожевожовте, їхні тканини складаються з видовжених клітин довжиною 70–100 мкм. Маточка має зав’язь з двома стовпчиками, що несуть довгі (2,0–2,8 мм) перисті приймочки, колір яких варіюється від білого до яскраворожевого. Форма пір’ячок маточки помірно розгалужена; довжина – 160–300 мкм; ширина – 20–30 мкм; розташування почергове; кількість маленьких відгалужень становить 10–15 шт. Пилок різних видів міскантусу відрізняється за якісними та кількісними ознаками, зокрема у M. sinensis і M. sacchariflorus він характеризується округлою формою, вирівняністю та однорідністю (43–48 мкм у діаметрі), а в M. giganteus є більш гетерогенним за розміром (діаметр 23–45 мкм). Пилок має одну округлу орнаментовану пору діаметром 2,7–4,0 мкм. Висновки. За результатами проведених досліджень надано морфологічну та цитологічну характеристику генеративних органів рослин M. sinensis, M. sacchariflorus, M. giganteus, а саме: маточок, пиляків і пилку. Дані, що отримано, слід враховувати в подальшій селекційній роботі у процесі створення ди та триплоїдних гібридів міскантусу.
Ключові слова: міскантус; тичинки; маточка; пилок; цитологія; генеративні органи.
Snizhana Lashuk
https://orcid.org/0000000295887761
Вступ
Рід Miscanthus – це перспективні біоенергетичні рослини, а саме: високопродуктивні багаторічні кореневищні трави, використовувані як нетрадиційне відновлювальне джерело енергії [1–5].
Використання міскантусу натепер важливе і з погляду глобальної екології, адже ця культура гальмує ерозію ґрунту та є ефективним абсорбентом вуглекислого газу, що знижує парниковий ефект. Водночас це перспективне джерело рослинної сировини для хімічної промисловості під час виробництва лігніно-целюлозної біомаси й композитних матеріалів, замінників деревини та пластмаси [6–9].
Міскантус вважають перспективною економічною культурою завдяки поєднанню високої продуктивності й екологічних показників, багатовекторному використанню біомаси та можливості вирощування на економічно маргінальних землях, які зазвичай характеризуються абіотичними стресами (посуха, повені, кам’янистість, крутий схил, вплив вітру), нестачею поживних речовин, а також ґрунтами, непридатними для виробництва продуктів харчування через забруднення важкими металами й іншими полютантами [10]. Використання глобального ресурсу маргінальних земель дасть змогу масово збільшити виробництво, застосування біомаси та виділення вуглецю з атмосфери [11, 12].
Найпріоритетнішим серед великої кількості видів вважають міскантус гігантський (Miscanthus giganteus J.M.Greef Denter ex Hodkinson Renvoise). Це природний аллотриплоїд (2n = 3x = 57), гібрид між тетраплоїдом міскантусом цукроквітковим [M. sacchariflorus (Maxim.)Hack] (2n = 4x = 76) та диплоїдом міскантусом китайським (M. sinensis Andersson) (2n = 2x = 38).
Найефективнішу трансформацію сонячної енергії в біомасу забезпечують рослини з фотосинтезом типу С4, до яких належить і міскантус. Втім, на відміну від більшості інших С4-рослин (зокрема, кукурудзи), він вирізняється толерантністю до холоду, термолабільністю рубіско й піруватортофосфатдикинази (ключові ферменти фотосинтезу) та збереженням їхньої активності за зниження температури, що дає змогу підтримувати фотосинтез на високому рівні [13].
Комерційний міскантус гігантський – стерильний триплоїдний гібрид, насіння якого зібрано в симпатричних популяціях міскантусів цукроквіткового та китайського на острові Хокайдо (Японія). Розповсюдження у світі отримав лише один японський клон М. giganteus, що розмножується вегетативно частками кореневищ – ризомами та в культурі in vitro [14, 15]. Обмеженість його експансії, зумовлену чутливістю до посухи й інших стресових факторів, низьким коефіцієнтом розмноження [16], а також високими виробничими витратами на висаджування плантацій [17], на думку селекціонерів з Великобританії, можна подолати, отримуючи стійкіші гібриди міскантусу, які б розмножувалися насінням. Водночас природне різноманіття рослин, поширених у різних середовищах Східної Азії, може забезпечити селекціонерів генетичними ресурсами для підвищення продуктивності й стійкості проти широкого спектра агрокліматичних умов і несприятливих абіотичних навантажень [18].
У Великобританії, Німеччині та інших країнах Європи стратегію селекції міскантусу зосереджено на використанні й відборі диких типів, батьківських форм і потомства для створення нових перспективних гібридів M. sinensis × M. sacchariflorus з високими врожайністю, виробництвом насіння, стійкістю проти холоду, посухи й інших стресових факторів [4, 9, 19]. Задля цього проводять дослідження з адаптивної селекції. Так, здійснено експерименти з феномікою щодо посухостійкості на дикій і покращеній зародковій плазмі [20, 21].
Відомо, що одним із репродуктивних бар’єрів у межах симпатричних популяцій рослин роду Miscanthus і суттєвою перешкодою для гібридизації є асинхронність періодів цвітіння цих компонентів, а також нестача у світовій науковій літературі інформації про морфологію й цитологію пилку, маточки, особливості запилення й одержання гібридного насіння міскантусів. Враховуючи результати проведених досліджень, можна буде з більшою ймовірністю визначати генетичну цінність селекційного матеріалу, поліпшувати його фертильність та успішно проводити гібридизацію компонентів.
Мета досліджень – вивчити морфологічні й цитологічні особливості пиляків, пилку та маточок рослин роду Miscanthus, одержаних в умовах in vitro.
Матеріали та методи досліджень
Дослідження генеративних органів (пиляків, пилку та маточок) M. sinensis, M. sacchariflorus і M. giganteus проводили в Інституті біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН упродовж 2014–2019 рр.
Рослини вищевказаних видів міскантусу отримували та розмножували в умовах in vitrо. Для цього використовували насіння M. sinensis і M. sacchariflorus 2012 та 2008 рр. репродукції відповідно, клони M. sacchariflorus і ризоми M. giganteus.
У процесі розмноження стерильне насіння M. sinensis, M. sacchariflorus та бруньки з ризом M. giganteus висаджували in vitro на модифіковане середовище Мурасіге – Скуга. Рослини M. sinensis та M. sacchariflorus отримували у культурі in vitro способом непрямого морфогенезу [22], M. giganteus – мікроклонального розмноження.
Пагони з морфогенних калусів M. sinensis, M. sacchariflorus та клони M. giganteus заввишки 2–3 см відокремлювали і пересаджували на середовище для розмноження та стимуляції росту ризом. Після утворення ризом довжиною 10–15 см мікророслини висаджували у відкритий ґрунт (з умов in vitro в ex vitro), використовуючи для адаптації пластикові колби, які знімали через 6–8 діб [23].
Рослинний матеріал – генеративні органи (пиляки, пилок, маточки) M. sinensis, M. sacchariflorus, M. giganteus – відбирали у фазі цвітіння на 4–5-й рік вирощування у відкритому ґрунті.
Для проведення цитологічних досліджень із використанням світлової мікроскопії готували препарати маточок, незапліднених насіннєвих зачатків, пиляків та пилку, незабарвлені або забарвлені розчином карміну (2%) в оцтовій кислоті (45%) чи розчином метиленового синього [24]. Для всіх представників видів міскантусу проводили вимірювання й обчислювали кількісні та якісні показники пилку в десятиразовому повторенні.
Результати досліджень
Вегетація міскантусу в умовах Київської області розпочинається наприкінці квітня – в перших числах травня. Фаза цвітіння (появи волоті) у представників різних видів настає через 100–135 діб після старту вегетації (кінець липня – початок серпня) [25, 26].
У результаті спостережень виявлено, що першим (остання декада липня) зацвітає sacchariflorus; пізніше (друга декада серпня) – M. sinensis. M. giganteus цвіте останнім (початок жовтня), а в деякі роки може зовсім не утворювати волоть через несприятливі кліматичні умови.
За формою волоті можуть бути веретено-, конусо- або еліпсоподібними. Їхня довжина у процесі морфометричних досліджень становила від 18 до 23 см, ширина – 8–16 см (табл. 1).
Таблиця 1
Розміри волоті різних видів міскантусу
Вид |
Довжина волоті, см |
Ширина волоті, см |
M. giganteus |
21,9 ± 0,69 |
15,2 ± 0,48 |
M. sinensis |
19,2 ± 0,60 |
8,6 ± 0,27 |
M. sacchariflorus |
18,4 ± 0,58 |
10,2 ± 0,32 |
Забарвлення пиляків китайського та гігантського міскантусів світло-жовте, жовте або рожево-жовте. Тканини пиляків міскантусу цукроквіткового переважно рожево-жовті, вони складаються з видовжених клітин (рис. 4) довжиною приблизно 70–100 мкм.
Маточка у міскантусів – це зав’язь із двома стовпчиками, які несуть довгі (2,0–2,8 мм) розгалужені перисті приймочки (рис. 5). Забарвлення приймочок гігантського та китайського міскантусів варіюється від білого до рожевого, а у цукроквіткового є яскраво-рожевим.
Форма пір’ячок помірно розгалужена. Кількість маленьких відгалужень може досягати 10–15 шт. Розташування почергове (рис. 6).
Довжина пір’ячок залежить від їх розташування: на кінці маточки – 160–200 мкм, в середині та в основі – 270–300 мкм. Їхня ширина становить 20–30 мкм.
У результаті цитологічного аналізу встановлено, що пилок різних видів міскантусу різниться за якісними та кількісними ознаками (розмірами, гомо- чи гетерогенністю) (рис. 7–9).
Згідно з літературними джерелами, пилок M. giganteus має різний рівень плоїдності і, як наслідок, широкий діапазон розмірів [27] (рис. 10).
Морфо-біометричні особливості таких генеративних органів міскантусу, як пилок і приймочки, є важливими біологічними ознаками виду, сорту та селекційного матеріалу. Від якості та кількості пилку залежать результативність запилення квітки й утворення якісного насіння.
Висновки
У результаті досліджень морфологічних і цитологічних особливостей встановлено, що генеративні органи (маточка, пиляки, пилок) M. sinensis, M. sacchariflorus, M. giganteus різняться за якісними та кількісними ознаками, зокрема кольором, розміром і формою.
Волоті рослин родини Miscanthus також неоднакові за формою та морфометричними показниками, а саме: довжиною (варіюється від 18 до 23 см), шириною (8–16 см), кількістю та довжиною гілочок. Квітку утворюють сидяча зав’язь з двома гроноподібними рильцями на довгих стовпчиках, три тичинки та дві лодікули (квіткові лусочки або плівочки), в основі яких – довгі шовковисті волоски. Нижня лодікула вирізняється колінчасто-вигнутою вістю до 1,5 см завдовжки.
Довжина пір’ячок залежить від їх розташування в маточці: на кінці – 160–200 мкм, в середині та в основі – 270–300 мкм. Їхня ширина становить 20–30 мкм.
Пилок M. sinensis і M. sacchariflorus характеризується округлою формою, вирівняністю та майже однорідністю (43–48 мкм у діаметрі), а в M. giganteus він є більш гетерогенним за розміром (діаметр 23–45 мкм). Втім кількість мікроспор невелика – 5–10% від загальної в полі зору. Пилкове зерно має одну округлу орнаментовану пору з внутрішнім діаметром 2,7–4,0 мкм.
Отримані дані слід враховувати в подальшій селекції міскантусу.
Використана література
References
UDC 633.282:577.3:631.527
Lashuk, S. O. (2023). Evaluation of breeding material on the basis of morphological and cytological characteristics of the reproductive organs of plants of the genus Miscanthus. Plant Varieties Studying and Protection, 19(3), 00–00. https://doi.org/10.21498/25181017.19.3.2023.
Ukrainian Institute for Plant Variety Examination, 15 Henerala Rodymtseva St., Kyiv, 03041, Ukraine, email: lashuk_s@ukr.net
Purpose. To study in vitro the morphological and cytological characteristics of anthers, pollen and pistils of plants of the genus Miscanthus. Methods. Preparations of pistils, unpollinated seed buds, anthers and pollen, unstained or stained with a solution of carmine (2%) in acetic acid (45%) or methylene blue solution, were examined by light microscopy. Measurements for plants of different Miscanthus species, as well as counting the number of pollen of different diameters, were made in ten replicates. Results. The morphological and cytological characteristics of the reproductive organs of M. sinensis, M. sacchariflorus and M. giganteus species were studied. It was found that the flower of this plant is monoecious, containing both stamens and a pistil. The color of the anthers is yellow or pinkishyellow, their tissues consist of elongated cells 70–100 µm long. The pistil has a twocolumn ovary with long (2.0–2.8 mm) pinnate stigmas which vary in color from white to bright pink. The shape of the pistil feather is moderately branched; length – 160–300 µm; width – 20–30 µm; alternate position; the number of small branches is 10–15 pcs. The pollen of different Miscanthus species differ in qualitative and quantitative characteristics, in particular in M. sinensis and M. sacchariflorus it is characterized by a rounded shape, evenness and uniformity (43–48 µm in diameter), whereas in M. giganteus it is more heterogeneous in size (23–45 µm in diameter). The pollen has a rounded, decorated pore with a diameter of 2.7–4.0 µm. Conclusions. According to the results of the conducted research, the morphological and cytological characteristics of the reproductive organs of M. sinensis, M. sacchariflorus and M. giganteus, namely: pistils, anthers and pollen, were provided. The data obtained should be taken into account in future breeding for the production of di and triploid Miscanthus hybrids.
Keywords: Miscanthus; stamens; pistil; pollen; cytology; reproductive organs.
Надійшла / Received 13.05.2023
Погоджено до друку / Accepted 16.08.2023